Sistema de digitalização e processamento de informações graficas da radiação solar global monitorada por actinografos

SISTEMA DE DIGITALIZAÇÃO E PROCESSAMENTO DE

INFORMAÇÕES GRAFICAS DA RADIAÇÃO SOLAR GLOBAL

MONITORADA POR ACTINOGRAFOS

Edson Aparecido Martins – emartins@fatecbt.edu.br Faculdade de Tecnologia de Botucatu – FATEC-BT – São Paulo

Dinival Martins – dinival@fca.unesp.br

Faculdade de Ciências Agronômicas – UNESP – Botucatu – São Paulo

Resumo. O objetivo do trabalho é desenvolver um sistema informático de digitalização e processamento de

actinogramas baseado em técnicas de Processamento de Imagens Digitais para a partição de tempo diária e horária. Como a coleta e o processamento das informações contidas nos actinogramas são feitos de forma manual, interpretações subjetivas devido à falta de treinamento ou a rotinas de coletas diferentes por observadores distintos podem induzir a uma sistemática de erros. O uso de técnicas baseados no conceito de Processamento de Imagens Digitais na análise dos actinogramas garantirá uniformidade na medida, minimizando erros de leitura, otimizando tempo e evitando prejuízos. O software proposto está sendo desenvolvido na Faculdade de Tecnologia de Botucatu e os actinogramas foram fornecidos pela Estação Meteorológica de Botucatu situada na Faculdade de Ciências Agronômicas-UNESP-Botucatu. As análises preliminares indicam um desempenho satisfatório do software proposto, gerando medidas na mesma ordem de grandeza do método de referência para a partição diária. O software proposto pertence a um projeto que se encontra ainda em andamento, onde rotinas e filtros de técnicas diversas continuam sendo implementadas e testadas no reconhecimento da curva de interesse para melhorar a qualidade do processamento das informações gráficas dos actinogramas. Os actinogramas da Estação Meteorológica de Botucatu estão sendo digitalizados para que, ao término do projeto, o software possa ser testado com uma base de dados mais consistente e significativa, onde poderão ser identificados comportamentos e tendências temporais dos dados resultantes da aplicação das técnicas de Processamento de Imagens Digitais no monitoramento da radiação solar global por actinógrafos.

Palavras-chave: Radiação solar, Actinógrafo, Digitalização, Sistema informático.

1. INTRODUÇÃO

A fonte de energia que sustenta toda a vida na Terra provém do Sol, desde a produção de energia hidrelétrica, termelétrica, eólica e solar, passando pela cadeia nutritiva do ecossistema até a produção de combustíveis através da queima dos produtos originados da produção da biomassa (biogás, carvão).

A radiação solar apresenta interação com os constituintes atmosféricos por meio dos processos de absorção, reflexão e difusão, os quais atenuam a radiação incidente e podem mudar os níveis energéticos disponíveis em superfície. A atividade industrial tem depositado toneladas de materiais particulados na atmosfera, provocando alterações nas propriedades óticas das nuvens, além de promover a diminuição da radiação solar incidente em superfície via absorção e espalhamento (Lara et al, 2005). Assim, as mudanças energéticas em superfície têm impacto direto na dinâmica do clima.

Com a introdução de aparelhos mais modernos de medidas, o monitoramento ambiental (aquisição e armazenamento) tornou-se automático e digital. No entanto, muitas estações meteorológicas no Brasil foram montadas em meados do século 20 com investimento limitado e aparelhos mecânicos-analógicos. As medidas ainda são realizadas de forma manual, podendo acarretar erros devido à complexidade e subjetividade na observação da medida.

O monitoramento da radiação solar, na maioria das estações meteorológicas do Brasil, é realizado, a muitas décadas, por meio de um aparelho denominado actinógrafo. Esse aparelho consiste de duas placas de metais diferentes que apresentam dilatações diferentes para o mesmo ganho energético. A diferença de dilatação é registrada em um papel quadriculado (actinograma), onde cada quadrado tem um valor energético constante expresso em J/m2. Ao final do dia, esse papel é recolhido e um funcionário habilitado conta o número de quadrados sob a curva desenhada e, por meio de uma regra de proporcionalidade, é estimada a quantidade de radiação solar. Essa medida é mais comum na partição diária em função de dificuldades operacionais para partições de tempo menor. Portanto, como a coleta e o processamento das informações contidas nos gráficos são feitos de forma manual, interpretações subjetivas devido à falta de treinamento ou a rotinas de coletas diferentes por observadores distintos podem induzir a uma sistemática de erros. Como há várias estações meteorológicas no Brasil e no mundo, a coleta de dados pode não ser uniforme, ficando a cargo de cada unidade de medição os critérios de interpretação e coleta. Nesse sentido, os resultados produzidos

podem ser inconsistentes devido à falta de padronização no processo de coleta, afetando diretamente a formação de uma base de dados de qualidade.

Com a modernização dos sistemas informáticos de hardware e software, os actinogramas poderão ser digitalizados e processados por técnicas baseadas na teoria de Processamento de Imagens Digitais (PID), garantindo padronização no processo de coleta e de interpretação dos valores. O uso de rotinas e filtros específicos garantirão uniformidade na medida, minimizando erros de leitura, otimizando tempo e evitando prejuízos (Paine e Lodwick, 1989; Wang et al, 2008). Outro aspecto positivo da implantação de um sistema digital de coleta e interpretação dos gráficos é a formação de bancos de dados em partições de tempo menor, como o caso da partição horária. Nesse sentido, o banco de dados horário poderá recuperar informações da distribuição solar ao longo das horas, servindo de estudo para perfis de distribuição de nuvens, aerossóis e poluentes em comparação com os níveis atuais. Um banco de dados horário poderá contribuir de forma significativa para melhor caracterização do potencial solar de uma região, além de fornecer subsídios para estudos da evolução do efeito estufa, responsável pelo aquecimento global. A flexibilidade das modernas linguagens de programação permitirão ao sistema a inserção de módulos específicos para outras aparelhos registradores como anemógrafos (velocidade e direção do vento), heliógrafos (brilho solar), pluviógrafos (precipitação) e termohigrógrafos (temperatura e umidade do ar) modernizando e otimizando a rotina de trabalho de uma estação meteorológica (Dal Pai et al, 2010).

O objetivo do trabalho é desenvolver um sistema informático de digitalização e processamento de actinogramas baseado em técnicas de Processamento de Imagens Digitais para a partição de tempo diária e horária.

2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Local e instrumentação

O “Sistema de digitalização e processamento de informações graficas da radiação solar global monitorada por

actinografos” está sendo desenvolvido na Faculdade de Tecnologia de Botucatu (FATEC-BT). Os cartões grafados do

actinógrafo referentes às medidas de radiação solar foram cedidos pela Faculdade de Ciências Agronômicas da UNESP (Botucatu), a qual mantém um banco de dados registrado em formato de papel, sobre o qual será realizada a calibração e a validação do sistema proposto. A estação meteorológica da UNESP está localizada nas coordenadas geográficas 22,85S de latitude, 48,45W de longitude e 786m de altitude.

O aparelho utilizado para medir a radiação solar global incidente é o actinógrafo (Fig. 1a). Este aparelho consiste em duas placas metálicas de materiais diferentes que, quando submetidos à mesma energia, dilatam de forma diferenciada. A diferença de dilatação entre as placas é registrada num cartão fixo num eixo girante, calibrado para realizar o percurso de uma volta por dia. A dificuldade dos observadores meteorológicos para realização desta medida é a contagem dos quadrados sob a curva traçada que representa o total de radiação solar global incidente. Os quadrados são pequenos e se o volume de dias é grande, a indução ao erro devido a tarefa repetitiva é praticamente certa. A Fig. 1b apresenta um trecho do papel milimetrado utilizado na medida da radiação solar.

Figura 1 - a) Actinógrafo usado para medir a radiação solar global. b) Papel utilizado no registro da radiação solar pelo actinógrafo (actinograma).

2.2 Sistema Proposto

O sistema proposto está sendo implementado por meio de um software na linguagem Pascal orientada à objeto, da b)

radiação solar diária e cálculo da radiação na partição horária e diária. O sistema é composto por 4 módulos escritos separadamente no sentido de oferecer maior flexibilidade à execução das tarefas. Os módulos são: Digitalização, Controle de Qualidade, Contagem e Banco de Dados. A Fig. 2 mostra os módulos que compõem o sistema.

Figura 2 - Módulos do “Sistema de digitalização e processamento de informações graficas da radiação solar global

monitorada por actinografos”.

No Modulo Digitalização, um processo de captura de imagens foi desenvolvido para padronização. As fitas que contém os dados do actinógrafo foram digitalizadas utilizando o scanner HP® sendo as fitas digitalizadas em formato com 200dpi (Dots per inch) para que o software possa processá-los. As fitas são continuas e contém divisões para as 24 horas diárias descritas no topo do cartão. Porém os dados medidos pelo actinógrafo são coletados no período de fotoperíodo positivo. Por esse motivo, as fitas digitalizadas foram recortadas e a parte selecionada compreende os horários entre as 05h e 20h, evitando processamento desnecessário da imagem. Um redimensionamento das imagens também se fez necessário para padronização do processamento, adotando-se como largura 900 pixels. Os actinogramas foram salvos no formato bitmap 256 cores.

No Módulo de Controle de Qualidade, as imagens foram analisadas para facilitar sua representação e cálculos. Ferramentas para auxílio na detecção e reforço de bordas (Pedrini e Schwartz, 2008) foram adicionadas ao software, tendo em vista que a técnica de subtração de imagens para a eliminação da grade de fundo não foi bem sucedida. As ferramentas implementadas foram: ferramenta “contorno”, ferramenta “borracha” e ferramenta “área”. A ferramenta “contorno” é utilizada para o reforço da curva pelo usuário. A ferramenta “borracha” permite a correção de pixels em excesso na imagem. Já a ferramenta “área” é utilizada para destaque da área sob a curva, realizada por meio do objeto

floodfill da linguagem orientada à objeto Delphi Pascal. A técnica faz a varredura na imagem e identifica pixels que

estão na fronteira entre duas regiões com características relativamente distintas, caracterizadas por suas descontinuidades, encontrando assim as bordas de um objeto na imagem (Gonzáles e Woods, 2000). Detectada as bordas a ferramenta pinta a área de vermelho para que o software a reconheça e realize os cálculos.

Após o pré-processamento realizado pelo Módulo de Controle de Qualidade, o Módulo Contagem realiza a contagem dos pixels sob a curva traçada, convertendo-os em seguida em valores energéticos (MJ/m2) referentes à quantidade de radiação solar global incidente. Como o processo é automatizado, a contagem é efetuada por hora e dia, podendo futuramente ser ampliada para cálculos por minuto ou conforme a necessidade do usuário. Para realização dos cálculos, o software realiza uma contagem dos pixels de cor vermelha e faz a conversão para MJ/m2. Por fim foi realizado um teste de validação para verificar a eficiência do método proposto de cálculo da radiação solar na partição diária. O sistema proposto foi comparado com um sistema tradicional de medida pelo actinógrafo e com um sistema atual de medida por meio de equipamentos modernos conhecidos por piranômetros acoplados a um datalloger que realiza o monitoramento automatizado no formato digital.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1 Desenvolvimento do sistema proposto (software)

Para o desenvolvimento do software foram realizados testes onde as imagens digitalizadas passaram por processamentos com técnicas de realce de imagens utilizando métodos de realce de imagem no domínio espacial que se refere ao próprio plano da imagem, e as abordagens nesta categoria são baseadas na manipulação direta dos pixels das imagens (Gonzáles e Woods, 2000). Esses métodos foram testados na eliminação da grade de fundo dos actinogramas para facilitar o reconhecimento e realce da curva. Durante os testes observou-se que as cores das fita apresentaram um padrão de difícil representação, pois a curva possuía vários tons de cinza misturados a tons de vermelho. A Fig. 3 mostra as tonalidades de cinza, branco e vermelho que compõem o padrão de cores dos actinogramas.

Figura 3 - Falta de uniformidade entre as tonalidades de cinza, branco e vermelho para pixels da imagem. A falta de uniformidade das cores das imagens impossibilitou o uso da eliminação dos tons de vermelho, pois a grade não é totalmente eliminada e havia a perda de muita informação da curva. A Fig. 4 mostra um actinograma após a aplicação do filtro de remoção de cores específicas (vermelho).

Figura 4 - Resultado da eliminação de tons de vermelho.

Uma das técnicas utilizadas nos testes para o reconhecimento da curva foi baseada na técnica de Subtração de

Imagens onde a diferença entre duas imagens f(x, y) e h(x, y) é obtida através da subtração entre todos os pares de pixels

correspondentes de f e h. A diferença entre imagens é representada por g (x, y) = f(x, y) – h(x, y) (Gonzales e Woods, 2000). Uma varredura pixel a pixel é realizada pelo software em duas imagens de fitas do actinógrafo: uma ainda não utilizada e, portanto limpa e a outra com os dados experimentais. O software realiza uma varredura simultânea nas duas imagens realizando a subtração entre os pixels correspondentes. Valores de zero indicam pixels iguais nas duas imagens e, portanto podem ser excluídos, atribuindo-se então um pixel branco (fundo branco). Valores diferentes de zero mostram que os pixels são diferentes e, muito provavelmente o pixel da segunda imagem representa um pixel pertencente à curva traçada pelo actinógrafo quando da variação da radiação solar. Neste caso atribui-se um pixel da cor preta (curva em preto). A desvantagem apresentada por essa técnica consiste na perfeita sincronização espacial das duas fitas utilizadas. Fitas levemente deslocadas espacialmente produzem resultados inconsistentes, visto que os pares de pixels não são correspondentes. Nesse sentido, os testes de subtração de imagens não apresentaram resultados adequados, conseqüência do difícil alinhamento entre as imagens utilizadas. A eliminação da grade de fundo foi insuficiente para o realce da curva.

Na tentativa de solucionar o problema da detecção da borda, foram adicionadas ferramentas operacionais ao software baseadas no conceito de vizinhança e adjacência ente pixels (Pedrini e Schwartz, 2008; Artero e Tommazelli,

digitalização da imagem. O usuário, utilizando o mouse, pinta a curva para que a ferramenta “área” possa ser usada. A Fig. 5 mostra o uso da ferramenta “contorno”. A pintura dos pixels é feita baseada na vizinhança de pixels, onde um pixel p de uma matriz com coordenadas (x, y) possui oito vizinhos, quatro nas linhas e colunas localizados nas coordenadas (x-1, y), (x+1, y), (x, y-1) e (x, y+1) e outros quatro nas diagonais (x-1, y-1), (x-1, y+1), (x+1, y-1) e (x+1,

y+1) (Pedrini e Schwartz, 2008; Artero e Tommazelli, 2009).

Figura 5 - Uso da ferramenta “contorno” para reforço das bordas da curva de interesse.

Para a identificação da área a ser calculada utilizamos a ferramenta “área”. Essa ferramenta faz a detecção dos pixels internos em uma curva de um polígono fechado por meio do método de rotulamento de imagens, que corresponde à identificação de regiões pré-determinadas. Para esse fim, cada pixel receberá um rótulo, podendo ser uma cor ou um número inteiro (neste caso, diferente da cor preta), que identificará a região a qual ele pertence. No rotulamento, partindo de um ponto interno a uma curva fechada, o algoritmo identificará todos os pixels contidos no interior dessa curva. Em outras palavras, o algoritmo, partindo de um ponto pré-selecionado pelo usuário, atribui a cor vermelha aos pixels até que se encontrem os pixels de cor preta referentes às bordas da região fechada de interesse. A Fig. 6 mostra o rotulamento empregado pelo software, destacando-se a área em vermelho sobre o qual atua o Módulo Contagem para cálculo do valor energético da radiação solar global incidente.

Figura 6 - Aplicação da ferramenta “área” por meio do método floodfill para preenchimento em vermelho da área sob a curva de interesse.

O Módulo Contagem entra em operação por meio do botão Calcular. O redimensionamento da imagem para 900 pixels de largura permitiu que cada pixel representasse um minuto de medida, perfazendo os horários das 5h até as 20h. De acordo com procedimento de contagem adotado pela Estação de Meteorologia da UNESP, os actinogramas são papéis milimetrados com o tempo no eixo das abscissas e a irradiação incidente no eixo das ordenadas. Desse modo, cada quadrado individual do papel representa 0,02508 MJ/m2 para cada 15 minutos de operação, equivalente a 15 pixels de largura por 7 pixels de altura. Portanto, para 1 pixel de largura por 1 pixel de altura, o fator utilizado foi de 2,4x10-4 MJ/m2. Assim, cada pixel de largura corresponde a 1 minuto, e cada pixel de altura corresponde ao valor de 2,4x10-4 MJ/m2. O Módulo Contagem contabiliza a quantidade de pixels de altura para cada pixel de largura e converte os valores para MJ/m2. Ao final das horas e do dia, os valores são apresentados numa tabela com possibilidade de exportação em formato .DAT para outras plataformas estatística para análise. A Fig. 7 mostra os resultados horário e diário da radiação solar global incidente obtidos por meio da aplicação do Módulo Contagem para um determinado dia de medida.

Figura 7 - Resultados horários e diário da radiação solar global incidente obtidos por meio da aplicação do Módulo Contagem.

3.2 Validação

Para a verificação do funcionamento do sistema proposto no cálculo dos valores da radiação solar global, foi realizada uma comparação entre os dados extraídos pelo software, os dados obtidos pelo método tradicional (actinógrafo com leitura manual) e os dados obtidos por meio de piranômetros (referência). No método tradicional, o observador meteorológico realiza o calculo da radiação global por meio da contabilização de todos os quadrados sob a

radiação, geram uma tensão em milivoltagem que é captada pelo sistema de aquisição de dados digital (datalogger). Esse sistema, pelo fato de ser automatizado e de freqüência programável, é considerado mais preciso e por isso foi adotado como referência, já que as medidas são realizadas a cada 5 segundos. Os desvios foram calculados por meio da diferença entre os valores obtidos pelos métodos tradicional e software com os valores obtidos pelo método de referência, dados pela Eq (1).

(1)

onde D(%) é o desvio relativo; x é o valor da radiação global medida pelo método tradicional ou pelo software; e y é o valor da radiação global medida pelo método de referência. Valores positivos de desvio relativo mostram que o modelo de medida avaliado superestima os valores da radiação solar global, enquanto que valores negativos de desvios relativos indicam que o modelo de medida avaliado produz subestimativas da radiação solar global. A Tab. 1 mostra os valores das radiações globais de referência, tradicional e calculado pelo software e os desvios relativos obtidos da comparação.

Tabela 1. Valores da radiação solar global medidos pelos métodos de referencia, tradicional e software proposto e desvios relativos da comparação.

Data Referência (MJ/m²) Tradicional (MJ/m²) Software Proposto (MJ/m²) Desvio (%) Trad x Ref Desvio (%) S.Prop x Ref 18/09/2010 19,95 18,68 19,73 -6,36 -1,1 19/09/2010 19,41 16,79 19,46 -13,49 0,25 29/09/2011 23,64 21,7 22,45 -8,2 -5,03 Média 21,00 19,06 20,55 -9,35 -1,96

Os desvios relativos mostraram que o uso do método tradicional de medida de radiação solar global apresenta desvios negativos em relação aos valores medidos pelo método de referência. Essas subestimativas parecem ser sistemáticas e podem estar relacionadas à inércia térmica do actinógrafo que leva um tempo maior para estabilizar, podendo assim registrar uma leitura inferior ao valor de referencia. Já os desvios relativos da comparação entre software e método de referência apresentam desvios relativos mais próximos de zero, mostrando que o software proposto apresentou desempenho satisfatório. Na média, os desvios relativos entre método tradicional e de referencia foi de -9,35% e entre software e método de referencia foi de -1,96%. Os actinogramas e os dados de radiação global via piranômetro fornecidos pela Estação Meteorológica de Botucatu foram insuficientes para uma avaliação mais detalhada do desempenho do software proposto. No entanto, cabe ressaltar que o software proposto pertence a um projeto que se encontra ainda em andamento, onde rotinas e filtros de técnicas diversas continuam sendo implementadas e testadas no reconhecimento da curva de interesse para melhorar a qualidade do processamento das informações gráficas dos actinogramas.

Como procedimento de rotina, os actinogramas da Estação Meteorológica de Botucatu estão sendo digitalizados para que, ao término do projeto, o software possa ser testado com uma base de dados mais consistente e significativa, onde poderão ser identificados comportamentos e tendências temporais dos dados resultantes da aplicação das técnicas de Processamento de Imagens Digitais no monitoramento da radiação solar global por actinógrafos.

4. CONCLUSÃO

A análise preliminar dos desvios relativos mostrou que o software proposto apresentou desempenho satisfatório na medida da radiação solar global na partição diária, com uma diferença média inferior a 2% em relação ao método de referência. No entanto, o estudo não é conclusivo em função da pequena quantidade de dados fornecidos para a validação do software. A continuidade do projeto permitirá o teste de novos filtros na detecção da curva de interesse, assim como a utilização de uma base de dados maior, a qual já está sendo providenciada pela Estação Meteorológica de Botucatu por meio da digitalização dos actinogramas.

REFERÊNCIAS

Artero, A. O.; Tommazelli, A. M. G., 2009. Detecção e afinamento de bordas em direções previamente conhecidas. Boletim de Ciências Geodésicas, v. 15, p. 157-177.

Dal Pai, A.; Rodrigues, D.; Dall’antonia, L. C.; Martins, D., 2010. Contagem de horas de brilho solar usando técnicas de processamento digital de imagens In: III Congresso Brasileiro de Energia Solar, Belém-PA. CD Anais III Congresso Brasileiro de Energia Solar.

Gonzalez, R. C.; Woods, R. E. 2000. Processamento de Imagens Digitais. Tradução Roberto Marcondes César Junior, Luciano da Fontoura Costa. São Paulo: Edgard Blücher. 509p.

Lara, L. L.; Artaxo, P.; Martinelli, L. A.; Camargo, P. B.; Victoria, R. L.; Ferraz, E. S. B., 2005. Properties of aerosols from sugar-cane burning emissions in Southeastern Brazil. Atmospheric Environment, v.39, p. 4627–4637.

Paine, S. H.; Lodwick, G. D., 1989. Edge Detection and Processing of Remotely Sensed Digital Images, Photommetria, v. 43, n. 6, pp. 323-336.

Pedrini, H.; Schwartz, W. R. 2008. Análise de imagens digitais. 508 p.

Wang, C; Stefanidis, A.; Croitoru, A.; Agouris, P., 2008. Map Registration of Image Sequences Using Linear Features. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, v. 74, n. 1, pp. 25-38.

SCANNING AND PROCESSING COMPUTER SYSTEM FOR GRAPHIC INFORMATION OF GLOBAL SOLAR RADIATION MONITORED BY ACTINOGRAPHS

Abstract. The objective of this paper is to develop an actinogram scanning and processing computer system based on

Digital Image Processing techniques for daily and hourly global solar radiation. Since the collection and processing of information contained in actinogramas are made by hand, subjective interpretations due to lack of training or routine samplings by different observers can induce a distinct systematic errors. The use of techniques based on the concept of Digital Image Processing in the analysis of actinogramas ensure uniformity of the measurement, minimizing read errors, optimizing time and avoiding losses. The proposed software is being developed at the Faculdade de Tecnologia de Botucatu and the actinograms were provided by the Botucatu Weather Station located in Faculdade de Ciências Agronômicas-UNESP-Botucatu. Preliminary analyzes indicate satisfactory performance of the proposed software, generating measures in the same order of magnitude of the reference method for daily values. The proposed software belongs to a project that is still in progress, where routines and various filter techniques are still being implemented and tested in the recognition of the curve of interest to improve the quality of the graphic information processing. The actinograms of the Botucatu Weather Station are being scanned so that the end of the project, the software can be tested with a more consistent and significant database. So, it will be possible to identify data behaviors and temporal trends resulting from application of Digital Imaging Processing techniques in the monitoring of solar radiation by actinographs.